物理学科育美的内涵、价值与实现

摘要：美育是培养学生认识美、热爱美和创造美的能力的审美教育，育美工作应贯穿学校教育的全过程并渗透在各个学科之中。物理学科美包括基于形象感性的“形态美”，基于科学理性的“神韵美”，基于情感态度与价值取向的“意境美”三个层次。通过育美的准备阶段（助学寻美）、育美的实施过程（协同审美）、育美的终极目标（自主创美）的美育实施路径，实现“以美促智”“以美促德”“以美促美”的学科美学价值。

关键词：学科育美  形态美  神韵美  意境美

引用格式：李兴.物理学科育美的内涵、价值与实现[J].教学与管理，2023（07）：55-58.

美育也就是审美教育，是德、智、体、美、劳“五育并举”教育体系建构的重要一环，但由于种种原因，学科的育美工作未能得到足够的重视与发展。2018年全国教育大会明确提出“要培养德、智、体、美、劳全面发展的社会主义建设者和接班人”[1]。2020年发布的《关于全面加强和改进新时代学校美育工作的意见》[以下简称《意见》（2020）]为学科育美的实践工作指明了方向，促进了学科育美领域的深度研究。《意见》（2020）中指出“有机整合相关学科的美育内容，推进课程教学、社会实践和校园文化建设深度融合”[2]。明确指出美育不仅仅是艺术类学科的事情，而是包括艺术类学科在内的所有学科共同的育人目标，学科育美是学科育人重要的组成部分。

一、物理学科美的内涵

1.基于形象感性的“形态美”

形态，是指事物或现象的表象特征。斑斓的画作、悠扬的旋律、妙曼的舞蹈都是可以直接感知的美的元素，这种基于人的视觉、听觉等感官系统所感知的美是形态美，这也是狭义的对“美”的认知。

费曼说：“自然界具有简单性，因而是极其美丽的。”[3]物理学科是一门自然学科，自然界呈现的一些物理现象本身就具有刺激人感官的形态美。例如七彩斑斓的雨后彩虹、孩童吹起的彩色肥皂泡、炫丽的极光、流线型的鲸鱼等等，即便是没有学过物理的人也能感受到这种自然界中物理现象的美。

物理学科是一门实验学科，从实验现象中也能感知物理的形态之美。例如：三棱镜色散实验、双缝干涉实验、光谱实验都能看到有规律的彩色或单色条纹，敲击音叉或编钟就能听到悦耳的声音，干冰升华实验中能够体验到腾云驾雾、人间仙境的感觉。这些实验现象虽然是基于某个客观规律人为形成的，但就其对感官的直接刺激而言，它们与艺术作品和自然界物理现象一样，本质上都属于表象的形态美。

2.基于科学理性的“神韵美”

神韵就是透过物体的表征，大脑意识层对于事物所赋予的文化、背景、象征等深层次的综合感受。物理学家彭加勒认为：“物理美不是打动感官的美，也不是质地美和外观美；这样的美与科学无关，我意指那种比较深奥的美，这种美来自各部分的和谐秩序，并且纯粹的理智能够握住它。”[4]这种观点看到了物理研究过程中借助于逻辑和数学工具的理性思维，是人的智慧对于事物表象进行深层次加工的一种理性美，也就是物理的“神韵之美”，它是在从形象思维到抽象思维的过程中所形成的应然结果。

（1）物理规律的“律之美”

物理规律是科学家在研究过程中，经过逻辑推理和数学演算得到的在一定范围的领域内普遍接受的物理结论。物理规律的“神韵之美”主要体现在“统一美”“对称美”“相似美”“简洁美”等方面。例如，牛顿运动定律将物体的运动情况与受力情况建立联系并统一起来。爱因斯坦的质能方程揭示了“质量”与“能量”两个貌似毫不相关的物理量之间的统一关系。玻尔称爱因斯坦的相对论是“一切现有物理理论中最美的一个”，是“一个被人远远观赏的艺术品”。“万有引力定律”与“库仑定律”体现出了平方反比的“相似美”。麦克斯韦关于电磁场理论的表述体现出规律的“对称美”。

（2）物理实验的“技之美”

物理实验中的奇妙现象虽然是外在表象的形态美，但在这种形态美的背后，奇妙的实验思想和精巧的实验设计，恰恰更能体现物理神韵的“技之美”。不论是研究宇宙范围的天体运动还是研究微观范围的原子物理，都要借助一定的观测设备来直接或间接得到测量结果。由于受生理结构的尺度所限，人的感觉器官通常无法直接感知细微的变化。卡文迪许巧妙地利用金属丝的扭力以及光的反射原理，将由万有引力而引起的细微变化放大并测量出来，从而进一步验证了十七世纪最伟大的自然规律：万有引力定律。英国物理学家托马斯·杨采用双缝装置，把一束单色光先分离为两束，分别通过两条窄缝并在后面的光屏上形成干涉条纹，揭示了光的波动特性。这些精巧的实验设计无不反映了人类智慧的“技之美”

（3）物理模型的“结构美”

实际的物理情境往往比较复杂，物理学通常采用简化的方法，对实际问题抽象处理，用一种假想的能反映事物本质的结构或过程去描述实际的事物或过程，这种理想过程或结构称为物理模型，例如：质点、点电荷、弹簧振子、单摆等，就是为了研究问题时能简便地抓住核心问题，忽略其次要因素，简化实际情境而设想的一些理想模型。在构建“原子的结构模型”时，汤姆孙提出了“枣糕式”模型，卢瑟福提出了“核式”原子模型，玻尔提出“轨道量子化”的模型，每一个巧妙的模型结构都是物理思想与精巧实验完美结合的成果。

物理模型构建是从现象到本质、从具体到抽象的深入过程，它来源于现实又高于现实。培养学生物理模型的构建能力，既有助于激发学生的发散性思维，又能够提高学生的结构化思维水平。

3.基于情感态度与价值取向的“意境美”

“意”字从小篆到隶书、楷体，字形结构相对固定，上“音”下“心”，其造字构意是“心之音”，体现为人内心深处思想、情感的流露。因其深切、廣远、含蓄、细腻的程度远不是文字所能全部表达出来的，故称“意”。

我们认为，虽然物理研究需要排除个体感官和情感因素对于实验和观测结果的影响，物理符号与公式也不是情感的具体表现，但是当人们在得出这些规律和公式的过程中一定会唤起人的情感和激情，从而形成自己的情感态度和价值取向。因此物理美不是简单的感性美，也不是单纯的理性美，而是感性和理性相互交融和升华统一的过程中，在人的头脑中所形成的具有情感色彩的形象，即物理学科的“意境之美”。

科学知识最有价值的部分不在于其自身，而是我们为得到它所付出的持续不断的各种努力，这些努力中包含着人性中高尚的方面，如科学精神或科学家精神[5]。这种基于情感态度和价值取向的意境美，包括探索和发现过程中收获成功的“喜悦之美”，也包括追求科学真理的“求真之美”以及基于国家和民族自尊、自豪的“家国情怀之美”。

学科育美中的“形态美”“神韵美”“意境美”并非彼此孤立、互不关联，而是三个不同层次育美的内涵。形態美是基于直观形象的浅层次的表现形式；神韵美是基于理性思维深度加工后而形成的一种美；意境美则是在前两个层次的基础之上形成的基于情感态度和价值取向的最高层次的形式。

二、物理学科育美的价值

1.学科育美能够促进智育发展

“五育并举”并不意味着美育和智育毫不相干、相互孤立，它们之间其实是相互关联、相互浸润融合，有着“育全人”的共同目标。通过发现物理表象的形态美，可以有效地引起学生的好奇心，唤起学生原始的学习热情。物理中的规律美、技巧美和模型结构美，可以促使学生对物理知识进行深层建构。在解决实际问题的过程中，可以促进学生的科学探究能力和科学思维水平向着更高阶的方向发展。

2.学科育美能够提高德育实效

席勒认为：“道德的人只能从审美的人发展而来。”[6]美的事物和形象能够引发人愉悦而美好的情感体验，这也是育美能够促进德育的重要前提。当学生陶醉于审美的体验之时，就会将功利性事物抛之脑后，能够从应试教育的枷锁中挣脱出来，成为一个受自己心灵自由支配的有灵魂的人。长此以往，就能抑制功利性的私欲之源，进而提升个体的思想道德境界。

科学家精神教育是物理育美的重要环节，而科学家精神主要包括科学探究精神和科学家的家国情怀精神。如果说科学探究精神是源自内在驱动的私德的话，那么科学家的家国情怀则是基于民族自豪、自尊的一种公德。因此，通过科学家精神教育可以促使学生公德与私德并修，臻于完整的审美人格，最终成为一个内外兼修而近乎完美的人。

3.学科育美能够提升审美品格

美的享受、美的追求、美的创造是人的高阶性需要，是人在生存基础之上的更高层次的需要。美育并非只是音乐、美术、舞蹈等课程的专属活动，而应将育美元素渗透在所有学科的教育活动中。由于物理学科的特殊性，物理育美可以分为形、神、意三个层次。通过物理学科育美，能够促使学生的审美层次从基于表象的形态美向基于规律和技能的神韵美进阶，再向基于情感态度与价值取向的意境美升华，从而逐步提升学生的审美品格。

三、物理学科育美的实现路径

学科育美必须让学生经历发现美、品味美和创造美的循序渐进的过程，也就是“助学寻美”“协同审美”“自主创美”的三个阶段。“助学寻美”过程是学科育美的前期准备阶段，主要工作是在教师的帮助下搜集并整合各类育美素材。“协同审美”阶段则是在教师的指导下，师生共同审视和品味物理学科中的“形态美”“神韵美”“意境美”，促使学生的审美品格得到逐步的提高。“自主创美”就是学生能够自主发现美并利用自身掌握的知识和技能主动去创造美，这也是学科育美的终极目标。

1.育美的准备阶段：助学寻美

各类育美素材是学科育美重要的基础资源。由于教师的知识储备和结构化认知水平明显高于学生，这就需要在教师的指导下，让学生通过各种有效途径去搜集育美的元素。例如，充分利用身边的物理教科书就是最直接、最有效的途径。以人教版普通高中物理教科书（2020版）为例，其中章首图、章首名言以及“科学漫步”“STSE”“科学方法”等栏目，都是非常便利且丰富的育美元素（见表1）。

除了教科书之外，教师还应当拥有一双善于发现美的眼睛和记录美的手。可以多关注日常生活中蕴藏的自然美，利用现代信息技术从网络了解和获取育美元素。例如，在雨后彩虹的天气里，可以让学生走出教室切身体验物理现象的美。夏天的马路上看到“沙漠绿洲”的全反射现象，也可以用随身的手机拍下视频，作为育美的素材。

总之，寻美阶段对教师的知识储备水平、结构化思维水平以及自身的审美能力都有较高的要求。

2.育美的实施过程：协同审美

“寻美”过程是教师起主导作用的过程，“审美”过程则是在教师的引领下，学生学会从“形、神、意”的三个层次品味物理学科的美。

（1）体验物理的“形态美”

为了引起学生的学习兴趣，可以从浅层次的“形态美”开始，向学生尽情展示自然界中或物理实验现象的美。例如在“光的色散”教学中，除了用三棱镜演示白光的色散之外，还可以向学生展示其它类似的彩色条纹，如观察雨后的虹和霓、彩色的肥皂膜、灯下的光盘反射面以及透过游标卡尺的狭缝观察日光灯等等。通过集中展示的方式，让学生体验到从生活到物理中的色彩是那么的相似，却又那么的不同，从而使他们从视觉感官的角度体验物理多样的“形态之美”。

（2）探索物理的“神韵美”

除了让学生体验彩色条纹的“形态美”之外，还可以引导学生仔细观察和分析这些相似的彩色条纹之间有什么本质的不同。例如：虹和霓彩色条纹的排列顺序一样吗？为什么虹呈42度的弧，而霓却是50度的弧？入射光源与观察者处于同一侧还是分居两侧？他们是反射现象、折射现象还是干涉与衍射现象？通过问题链的方式激发学生科学探究的内在动机，让学生透过浅层次“形态美”的表象，体验到深层次的光的反射、折射、干涉与衍射的“规律之美”。

为什么部分学生缺乏学习物理的兴趣？爱因斯坦作出了很好的解释：“科学结论几乎总是以完成的形式出现在读者面前，读者体验不到思想形成的生动过程……”[7]也就是说，科学知识本身并不直接产生美感，美感产生于知识与规律的发现过程之中。例如在“动量”教学设计中，并不需要事先引入动量的概念，而是让学生先体验一下由物体的动量而引起的感觉。首先，让一位同学把一个充满气而直径约为1m左右的乳胶大气球以某一速度水平投向另一位同学，让他接住。然后，将气放掉，气球变得很小，再把气球以相同的速度投向该同学，让他比较两次不同情况下的感受。最后引导学生不断地推敲和分析，得出他的感受与飞来物体的质量（第一次的质量包含气球内的空气质量）和速度均有关，继而引出动量的概念。至于动量与质量、速度有怎样的定量关系，则通过实验“寻求碰撞中的不变量”的方式，让学生自主得出这个守恒的量应该是质量与速度的乘积，即动量。与教师直接给出动量表达式的方式相比，这种学习方式可以让学生自主构建动量的概念，并切身体验物理规律中的守恒美。

（3）感悟物理的“意境美”

教师可以基于真实的情境，布置进阶式任务链或问题链，让学生在解决实际问题的过程中感悟物理知识在日常生活中的巧妙应用，同时能够收获成功后的“愉悦之美”。例如在“行星的运动”教学中，可以根據物理史实让学生分别扮演哥白尼、布鲁诺、伽利略、第谷、开普勒等科学先贤，采用情景剧的方式重新演绎他们追求真理的艰辛历程，以沉浸体验的方式全身心地感悟科学探究中的“求真之美”。

科学无国界，但科学家是有国界的。无论是远古时代还是当今时期，基于民族自尊和自豪感，科学家们拥有“家国情怀”的例子比比皆是。尤其是我国的尖端科技遭到西方国家打压的当前时期，更要利用物理课堂教学的阵地充分宣传我国的科学家精神。可以组织学生阅读科学家的感人事迹，也可以通过论坛的形式讨论“钱学森之问”，还可以营造一个热爱祖国、热爱科学的校园氛围，让科学家精神的教育浸润到学习、生活的每一个细节之中。

3.育美的终极目标：自主创美

“自主创美”其实是学科育美的终极目标，旨在培养学生有一双能发现美的眼睛，能在新的情境中自主发现美、品味美、享受美，并拥有创造美的意识与能力。

例如，学生能够利用所学的“电磁感应”相关知识自制一把电吉他，并能够利用自制的电吉他演奏出非常优美的音乐。在自制以及不断改进的过程中，学生不仅学会了电磁感应的物理知识，而且他的实验探究水平和动手能力也得到了极大的提高。能够利用自制的乐器演奏一段优美的音乐，这也是一种创造美的过程。在创造美的过程中，学生能够收获到成功之后的无限喜悦，那种基于功利色彩的外在的学习动机就会荡然无存，而基于兴趣和爱好的内在学习动机则得到了加强。学生通过对比发现国产的电声乐器与国外知名品牌之间存在较大的技术代差，一种民族自强感则会油然而生，立志将来做一名电声乐器方面的研究专家。这样的话就真正达到了“自主创美”的终极目标。

总之，育美应贯穿在学校教育的全过程各方面，渗透在各个学科之中[8]。应将诸多育美的元素融合在学科教学之中，注重培养学生的求真精神和家国情怀，通过积极的寻美、审美、创美的过程，唤起学生对知识的渴求、对美德的赞赏、对生命的尊重，促成其积极、向美、向善人生价值观的形成。

参考文献

[1] 习近平出席全国教育大会并发表重要讲话[EB/OL].（2018-09-10）[2021-05-08].http：//www.gov.cn/xinwen/2020-09/10/content_5320835.htm.

[2][8]关于全面加强和改进新时代学校美育工作的意见[EB/OL].（2020-10-15）[2021-05-08].http：//www.gov.cn/zhengce/2020-10/15/content_5551609.htm.

[3] 许良.论理查德·费曼的科学美学思想[J].自然辩证法通讯，1997（01）：49.

[4] 彭加勒.科学与方法[M].北京：商务印书馆，2006；12.

[5] 沈艳艳.科学知识的德育价值及其实现[J].课程·教材·教法，2022，42（09）：101-107.

[6] 席勒.美育书简[M].徐恒醇，译.北京：中国文联出版公司，1984：118.

[7] 爱因斯坦.爱因斯坦文集第一卷（增补本）[M].许良英，李宝恒，赵中立，译.北京：商务印书馆，2009：115.

【责任编辑  孙晓雯】